阅读说明：本技术 基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法与变换器 (Synchronous rectification duty ratio loss compensation method based on magnetic flux cancellation and converter ) 是由 何良宗 陈嘉哲 于 2020-02-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法与具备占空比丢失补偿的LLC谐振变换器,利用磁通相消原理,在同步整流控制器的电压检测环路中引入互感,并产生特定的感应电动势,抵消检测环路中由于寄生电感或寄生互感产生的误差电压,最终解决了LLC变换器中副边同步整流电路中的同步整流管提前关断的问题,提高了变换器效率。与其他的补偿方法相比,本发明在实施上仅需要在检测环路中串入一个线圈或一匝导线,甚至无需调整PCB结构,只需要PCB上印制导线,即可以改善同步整流电路存在占空比丢失问题,进而本发明所述的LLC谐振变换器具有所需器件数量少,易于实施,适用于多种型号同步整流控制器等优点。(The invention relates to a synchronous rectification duty cycle loss compensation method based on magnetic flux cancellation and an LL C resonant converter with duty cycle loss compensation, which utilize the magnetic flux cancellation principle to introduce mutual inductance into a voltage detection loop of a synchronous rectification controller and generate specific induced electromotive force to counteract error voltage generated by parasitic inductance or parasitic mutual inductance in the detection loop, and finally solve the problem of early turn-off of a synchronous rectification tube in a secondary synchronous rectification circuit in a LL C converter, thereby improving the efficiency of the converter.)

基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法与变换器

技术领域

本发明涉及谐振型DC-DC变换器副边侧大电流同步整流技术领域，更具体地说，涉及一种基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法，以及一种具备占空比丢失补偿的LLC谐振变换器。

背景技术

低压大电流DC-DC变换器常常采用同步整流技术来减小整流部分输出阻抗，达到提高变换器效率的目的。以14V变换器为例，若采用二极管全波整流，假设二极管的压降为0.7V，且在不考虑反向恢复损耗的前提下，整流部分的损耗的功率至少占输入功率的5％以上。若采用同步整流，利用受控MOSFET来替换二极管，MOSFET导通电阻上所产生的导通压降往往可以降低到50mV以下。那么，整流部分的损耗仅为0.3％。可见，在低压大电流变换器中应用同步整流技术，可以有效的提高变换器效率。

然而在实际的电压检测型同步整流应用中，往往出现占空比丢失的现象。由于电压检测型同步整流的实现原理是根据MOSFET的V_DS电压(漏端相对源端的电压)来决定MOSFET的工作状态。理想情况下当MOSFET在导通以后，若忽略MOSFET的封装寄生电感，则导通后的MOSFET可以等效为仅用一个导通电阻R_{DS_ON}代替。由于是纯阻性的支路，因此V_DS电压与I_DS电流(漏源间的电流)是同相的。

一般情况下，MOSFET导通后则等效为一个导通电阻R_{DS_ON}和一个封装电感L_package的串联。由于封装电感的存在，使该支路为阻感型的支路，电压相位会先与电流相位。因此，此时V_DS电压的相位就会先于I_DS电流的相位。当电流I_DS开始下降时，V_DS由于相位超前，V_DS会先于I_DS过零。当同步整流控制器检测到V_DS电压过零后，控制MOSFET关断。而此时I_DS并未过零，关断后，I_DS电流通过MOSFET的体二极管流通，由于体二极管存在0.4V左右的导通压降(远大于50mV)，进而产生大量导通损耗。

另一方面，在大电流整流应用中不仅存在封装寄生电感的影响，检测环路的互感也不可忽略。根据同步整流电路解耦等效电路来看，解耦后支路上的互感M₁与自感L_package呈串联关系，即互感和自感都会干扰同步整流控制器的正常工作。

现有技术对于占空比丢失的解决方法主要有三大类：一是利用RC网络自带延时的特性，将检测到的V_DS电压先经过一级RC滤波器，利用RC滤波器产生的延迟来补偿由M₁与L_package产生的提前。但由于RC网络也会导致同步整流管在开通时刻延迟开通，(所延迟时间称为开通延迟，类似关断提前，开通延迟也产生占空比丢失)，加拿大皇后大学的刘燕飞课题组提出了改进型RC滤波器，Zero-Crossing Noise Filter，简称ZCNF。ZCNF滤波器可以在不产生开通延迟的前提下，完成丢失占空比的补偿。其缺点是ZCNF需要引入2个以上的电阻，1个以上的电容再加上至少1个二极管，提高了硬件成本。同时，为了确保补偿网络工作时序的正确性，所选二极管的压降必须和MOSFET体二极管保持一致，极大的增加了器件的选型难度。

二是利用外置补偿电感产生补偿电压，并将此电压通过芯片内部自带的反向器反向后叠加在具有误差的V_DS电压上。假设补偿电感的感值和寄生电感的感值相一致，其产生的电压与寄生电感上的误差电压也一样，再通过反向器反向即可作为补偿电压。安森美公司的同步整流控制器NCP4303上集成了这种方法，其缺点是外置的励磁电感与MOSFET是串联关系，流过该电感的电流为I_DS，因此该电感将带来传导损耗。另一方面，要求该电感必须是具有较小寄生电阻的理想电感。否则，寄生电阻上产生的压降可能导致同步整流控制器关断阈值电压的提高，使补偿适得其反。

三是使用自适应驱动控制策略，由同步整流控制器提供幅值可变的栅极驱动信号。当I_DS较大时，提高栅极电压，当I_DS较小时减小栅极电压，通过施加合适的栅极电压使V_DS电压的绝对值在MOSFET导通期间始终维持在50mV左右。恩智浦公司的同步整流控制器TEA1995T上应用了此类方法，其缺点是自适应栅极驱动的驱动能力弱，不适合应用在需要多管并联的大电流同步整流应用场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法，以及一种具备占空比丢失补偿的LLC谐振变换器，解决了LLC变换器中副边同步整流电路中的同步整流管提前关断的问题，提高了变换器效率。

本发明的技术方案如下：

一种基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法，利用磁通相消原理，在同步整流控制器的电压检测环路中引入互感，并产生特定的感应电动势，抵消检测环路中由于寄生电感或寄生互感产生的误差电压，对同步整流占空比丢失进行补偿。

作为优选，利用磁通相消原理，配合同步整流控制器调节同步整流管关断时序；根据电磁感应定律，通过补偿器耦合由隔离变换器的变压器副边绕组所产生交变磁场，并产生满足如下关系的感应电动势：

V_offset＝-I_DS(jwM₁+jwL_package)；

其中，I_DS为同步整流管MOSFET漏源间的电流，M₁为同步整流控制器的电压检测环路的自感L₁与变压器的副边漏感L₂由互感作用产生的耦合电感，L_package为同步整流管MOSFET中的寄生电感。

作为优选，所述的补偿器具有自感L₃，且与变压器的副边漏感L₂由互感作用产生的耦合电感M₃，M₃的感值大小满足如下关系：

M₁-M₃+L_package＝0。

作为优选，补偿器在I_DS电流下降为零前，通过耦合电感M₃上产生的负值感应电压补偿由寄生电感L_package和电压检测环路的自感L₁产生的正值误差电压，使同步整流控制器精确检测电流过零点，并产生无占空比丢失的关断信号。

作为优选，所述的占空比丢失由寄生电感L_package或耦合电感M₁产生的误差电压，使得同步整流控制器提前产生关断信号引起同步整流管MOSFET在I_DS电流还未过零时提前关断；同步整流管MOSFET关断后，I_DS电流通过同步整流管MOSFET的体二极管续流，产生损耗。

作为优选，所述的补偿器为一匝线圈或导线，或者PCB上的一段印制导线，补偿器的一端与同步整流管MOSFET的漏极连接，补偿器的另一端与同步整流控制器相连。

作为优选，补偿器串联于电压检测环路中，用于提供补偿电压。

作为优选，同步整流控制器与同步整流管通过一对电压检测线串联形成电压检测环路；同步整流控制器至少有一对电压检测引脚用于检测同步整流管MOSFET的V_DS电压；其中一只引脚连接于同步整流管MOSFET的源极，另一只引脚连接于同步整流管MOSFET的漏极。

一种具备占空比丢失补偿的LLC谐振变换器，包括输入电压源、可控开关网络、LLC谐振网络、变压器、设置有补偿器的同步整流单元、滤波电容、负载；其中，同步整流单元包括同步整流控制器、同步整流管MOSFET；基于所述的同步整流占空比丢失补偿方法，通过补偿器在同步整流控制器的电压检测环路中引入互感，并产生特定的感应电动势，抵消检测环路中由于寄生电感或寄生互感产生的误差电压，对同步整流占空比丢失进行补偿。

作为优选，补偿器外置于同步整流单元，并串联于同步整流控制器的电压检测环路中。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法与具备占空比丢失补偿的LLC谐振变换器，利用磁通相消原理，在同步整流控制器的电压检测环路中引入互感，并产生特定的感应电动势，抵消检测环路中由于寄生电感或寄生互感产生的误差电压，最终解决了LLC变换器中副边同步整流电路中的同步整流管提前关断的问题，提高了变换器效率。与其他的补偿方法相比，本发明在实施上仅需要在检测环路中串入一个线圈或一匝导线，甚至无需调整PCB结构，只需要PCB上印制导线，即可以改善同步整流电路存在占空比丢失问题，进而本发明所述的LLC谐振变换器具有所需器件数量少，易于实施，适用于多种型号同步整流控制器等优点。

附图说明

图1是本发明所述的LLC谐振变换器的电路示意图；

图2是同步整流单元的电路示意图；

图3是同步整流单元解耦的等效电路示意图；

图4是占空比丢失示意图；

图5是带补偿器的同步整流单元的电路示意图；

图6是带有补偿器的同步整流电路的解耦的等效电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法，以及一种具备占空比丢失补偿的LLC谐振变换器。

本发明所述的基于磁通相消的同步整流占空比丢失补偿方法，利用磁通相消原理，在同步整流控制器的电压检测环路中引入互感，并产生特定的感应电动势，抵消检测环路中由于寄生电感或寄生互感产生的误差电压，对同步整流占空比丢失进行补偿。

基于所述的同步整流占空比丢失补偿方法，本发明还提供一种具备占空比丢失补偿的LLC谐振变换器，如图1所示，包括输入电压源U_i、可控开关网络(本实施例中，包括高低端开关管S1、S2)、LLC谐振网络(包括谐振电容C_r、谐振电容L_p、谐振电容L_r)、变压器T₁、设置有补偿器的同步整流单元(补偿器的一端与同步整流管MOSFET的漏极连接，补偿器的另一端与同步整流控制器相连)、滤波电容C_out、负载R_L；其中，同步整流单元包括同步整流控制器、同步整流管MOSFET(本实施例中，包括两个同步整流单元，即包括两个同步整流控制器、两个同步整流管SR1、SR2)；通过补偿器在同步整流控制器的电压检测环路中引入互感，并产生特定的感应电动势，抵消检测环路中由于寄生电感或寄生互感产生的误差电压，对同步整流占空比丢失进行补偿。本实施例中，补偿器串联于电压检测环路中，用于提供补偿电压。

本发明中，同步整流控制器与同步整流管通过一对电压检测线串联形成电压检测环路；同步整流控制器至少有一对电压检测引脚用于检测同步整流管MOSFET的V_DS电压(漏端相对源端的电压)；其中一只引脚连接于同步整流管MOSFET的源极，另一只引脚连接于同步整流管MOSFET的漏极。

本发明利用磁通相消原理，配合同步整流控制器调节同步整流管关断时序；根据电磁感应定律，通过补偿器耦合由隔离变换器的变压器T₁副边绕组所产生交变磁场，并产生满足如下关系的感应电动势：

V_offset＝-I_DS(jwM₁+jwL_package)；

其中，I_DS为同步整流管MOSFET漏源间的电流，M₁为同步整流控制器的电压检测环路的自感L₁与变压器T₁的副边漏感L₂由互感作用产生的耦合电感，L_package为同步整流管MOSFET中的寄生电感。

如图2所示，在同步整流单元中，电感L₁、L₂分别指的是电压检测环路的导线上的寄生电感以及变压器T₁副边的漏感。由于同步整流控制器的电压检测环路的自感L₁与变压器T₁的副边漏感L₂存在耦合关系，即由互感作用产生耦合电感，记为M₁，用于表示电感L₁与L₂之间的相互作用。交流电流源AC用于等效变压器T₁原边部分及逆变电路部分以便于简化分析。对于高频电流而言，滤波电容C_out的容抗近似为0，因此可以认为对于高频电流纹波，滤波电容C_out短路了负载R_L，并用虚线示出。

将图2所示的同步整流单元中的互感解耦，如图3所示，可知同步整流控制器检测到的V_DS电压满足如下关系：

其中，V_SR1电压是I_DS电流流经同步整流管MOSFET时产生的压降，一部分是由于导通电阻R_{DS_ON}产生，另一部分是由于封装产生的寄生电感L_package产生。常用的同步整流控制器中，有的同步整流控制器的V_DS电压输入端输入阻抗非常大，以同步整流控制器NCP4303为例，在其D端、S端施加200V偏置电压的情况下，流入芯片的I₂电流仅为1uA，相当于具有200MΩ的等效输入阻抗。由于I₂<<I_DS,因此可以近似认为，电压检测环路上的自感L₁与耦合电感M₁所产生的压降为0。进而，V_DS电压可以简化为以下关系：

V_DS＝I_DS(jwM₁+jwL_package+R_{DS_ON})。

由上式可得，V_DS电压是寄生互感(即，耦合电感M₁)、寄生电感L_package与导通电阻R_{DS_ON}上的电压的总和。其中由耦合电感M₁与寄生电感L_package产生的电压将会导致检测到的V_DS电压的相位超前于I_DS电流的相位，进而提高了关断电流阈值。

所述的占空比丢失由寄生电感L_package或耦合电感M₁产生的误差电压，使得同步整流控制器提前产生关断信号引起同步整流管MOSFET在I_DS电流还未过零时提前关断；同步整流管MOSFET关断后，I_DS电流通过同步整流管MOSFET的体二极管续流，产生损耗。如图4所示，由于同步整流控制器在检测到V_DS电压过零点后会产生关断信号给同步整流管MOSFET；因此，如果采用不经过补偿的V_DS电压信号直接用于产生驱动信号，就会导致同步整流管MOSFET的提前关断，即占空比丢失。同步整流管MOSFET关断后，I_DS电流将通过同步整流管MOSFET的体二极管续流，导致大量的传导损耗。

如图5所示，补偿器外置于同步整流单元，并串联于同步整流控制器的电压检测环路中。本实施例中，将外置的线圈作为补偿器串联进电压检测环路。所述的补偿器具有自感L₃，变压器T₁的副边漏感L₂与补偿器的自感L₃之间存在耦合关系，变压器T₁的副边漏感L₂与补偿器的自感L₃由互感作用产生耦合电感，记为M₃。其中，M₃的正负可以通过改变变压器T₁的副边漏感L₂与补偿器的自感L₃的同名端位置进行调整。同时，电压检测环路的自感L₁与补偿器的自感L₃之间也存在耦合关系，电压检测环路的自感L₁与补偿器的自感L₃由互感作用产生耦合电感，记为M₂。

将图5所示的同步整流单元中的互感解耦，如图6所示，可得耦合电感M₃被解耦在I_DS电流流经的支路上，与寄生电感L_package、耦合电感M₁、导通电阻R_{DS_ON}为串联关系。因此，可以通过插入合适大小的外置补偿器使耦合电感M₃的感值满足如下关系：

M₁-M₃+L_package＝0。

补偿器在I_DS电流下降为零前，通过耦合电感M₃上产生的负值感应电压补偿由寄生电感L_package和电压检测环路的自感L₁产生的正值误差电压，使同步整流控制器精确检测电流过零点，并产生无占空比丢失的关断信号。即通过引入耦合电感M₃，使整条支路转化为纯阻性支路，纯阻性支路满足电压和电流同相位的关系。因此，检测该支路上的电压作为同步整流控制器的触发信号就不会产生占空比丢失的问题。

由于寄生参数(即存在于电压检测环路中的由互感产生耦合电感M₁)一般很小，具体实施时，所述的补偿器可实施为一匝线圈或导线，或者PCB上的一段印制导线，就足以产生nH级的耦合电感M₃。与其他的补偿方法相比，本发明在实施时，仅需要在电压检测环路中串入一匝线圈，甚至无需调整PCB结构，即可以改善同步整流电路关断时刻占空比丢失的问题，具有所需器件数量少，易于实施，适用于多种型号同步整流控制器等优点。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。